- •2. Усилительные устройства
- •2.1. Классификация усилителей
- •2.2. Характеристики и параметры усилителей
- •Усилительные каскады на биполярных транзисторах
- •Усилитель на биполярном транзисторе по схеме оэ
- •Усилительные каскады с ок и об
- •Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •Избирательные усилители
- •Усилители мощности
- •Влияние обратной связи на характеристики усилителя
- •Определим коэффициент усиления усилителя с ос путем преобразований полученного выражения
- •2.8. Интегральные и специальные усилители
- •2.8.1. Дифференциальные усилители
- •2.8.2. Операционные усилители
- •2.8.3. Схемы инвертирующих усилителей на базе оу
- •2.8.4. Схемы неинвертирующих усилителей на базе оу
- •Дифференцирующие и интегрирующие схемы на базе оу
- •Логарифмические усилители на базе оу
Усилительные каскады на биполярных транзисторах
Усилительные каскады на биполярных транзисторах могут быть построены по схемам с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). Название схемы определяется тем, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей усилителя на частоте сигнала. Подчеркнутое означает, что общность рассматривает не только гальванические связи (непосредственное соединение с помощью проводников), ни и с использованием схемных емкостных элементов, сопротивление которых с возрастанием частоты стремиться к нулю.
Усилитель на биполярном транзисторе по схеме оэ
Наиболее часто усилители выполняются на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ (эмиттер на частоте сигнала является общим для входной и выходной цепей). Такое включение позволяет обеспечить большое усиление сигнала по напряжению, при этом усилитель имеет достаточно большое входное сопротивление.
Принцип действия усилительных каскадов с ОЭ рассмотрим на примере наиболее распространенной схемы (рис. 2.5).
На входе каскада действуют усиливаемые переменные ток iВХ и напряжение uВХ источника входного сигнала, а на выходе (на нагрузке) — усиленные переменные ток iH и напряжение uВЫХ (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения записи опущен).
В этой схеме конденсаторы С1 и С2 — разделительные (разделяют цепи переменных и постоянных токов: постоянные токи источника +ЕК не должны протекать по цепям источника входного сигнала и сопротивлению нагрузки). Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока от источника питания Еk в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С2 обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки RH.
Резистор RК является собственно нагрузкой каскада усиления, включенной в коллекторную цепь транзистора, а резистор RH отражает тот факт, что сигнал с данного каскада подается на вход следующего каскада, сопротивление входа которого равно RH. Можно сказать, что каскад усиления имеет сложную нагрузку, состоящую из сопротивлений RК и RH, включенных по переменному току параллельно.
Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора (обеспечивают выбор рабочей точки усилителя), при котором в отсутствии входного сигнала в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы, коллектора и эмиттера, а на базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоянные напряжения покоя.
Резистор RЭ составляет цепь отрицательной обратной связи (ООС), предназначенную для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры (для термoстабилизации). Под обратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилительного каскада.
Действие термостабилизации объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры, тока коллектора покоя iКП, возрастают ток эмиттера покоя iЭП и падение напряжения на резисторе RЭ., поскольку UЭП = iЭП ·RЭ.. Так как напряжение между эмиттером и базой UБЭ, определяющее ток покоя транзистора, задается совокупным действием напряжения делителя UR2 и UЭП (UБЭ = UR2 - UЭП), то с увеличением напряжения UЭП уменьшается напряжение UБЭ. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя iБП и, следовательно, снижению тока коллектора покоя iКП. Тем самым производится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя.
Включение резистора RЭ в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе RЭ падение напряжения, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к базе транзистора (действует в противофазе), ведь uБЭ = uВХ – uЭ. При этом снижается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор RЭ шунтируют конденсатором СЭ достаточно большой емкости. Поскольку реактивное сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе RЭ.
Усилитель по схеме с ОЭ инвертирует сигнал. Под действием положительной полуволны входного гармонического сигнала транзистор приоткрывается, что приводит к пропорциональному увеличению переменных токов эмиттера, коллектора и базы. При этом увеличивается падение напряжения на резисторе RК, а напряжение на коллекторе транзистора, наоборот, уменьшается. Поскольку это переменное напряжение через конденсатор С2 действует на RН, то уменьшается напряжение на RН.
Схеме усилителя с ОЭ присущ еще один недостаток - низкая линейность усиления из-за нелинейности входных характеристик активного элемента. Для уменьшения нелинейных искажений источник входного сигнала переводят в режим источника тока: последовательно с ним в цепь базы включают резистор RБ. Сопротивление резистора RБ выбирают намного больше входного сопротивления транзистора ( ). Форма тока базы в этом случае соответствует форме входного напряжения и линейность усиления повышается.
Расчет номиналов элементов усилительного каскада, анализ режима работы каскада часто проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзистора. Основные аспекты графоаналитического метода можно подробно изучить по литературе ([1], С. 231-232).
В усилителе по схеме с ОЭ входным током является малый ток базы. Так как он в десятки - сотни раз меньше тока эмиттера, входное сопротивление и коэффициент усиления по току транзистора в схеме ОЭ имеют достаточно большое значение.
Благодаря таким преимуществам, как сравнительно высокое входное сопротивление и значительное усиление, схема усилителя с ОЭ получила на практике наиболее широкое распространение.